EP0132182A1 - Dispositif d'étanchéité d'aubages mobiles de turbomachine - Google Patents

Dispositif d'étanchéité d'aubages mobiles de turbomachine Download PDF

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EP0132182A1
EP0132182A1 EP84401363A EP84401363A EP0132182A1 EP 0132182 A1 EP0132182 A1 EP 0132182A1 EP 84401363 A EP84401363 A EP 84401363A EP 84401363 A EP84401363 A EP 84401363A EP 0132182 A1 EP0132182 A1 EP 0132182A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sectors
hooks
ferrule
sealing device
downstream
Prior art date
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Granted
Application number
EP84401363A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP0132182B1 (fr
Inventor
Jacques Bart
Gérard Ernest André Jourdain
Daniel Rambach
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
SNECMA SAS
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Publication date
Application filed by Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA, SNECMA SAS filed Critical Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
Publication of EP0132182A1 publication Critical patent/EP0132182A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP0132182B1 publication Critical patent/EP0132182B1/fr
Expired legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/14—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing
    • F01D11/16—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing by self-adjusting means
    • F01D11/18—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing by self-adjusting means using stator or rotor components with predetermined thermal response, e.g. selective insulation, thermal inertia, differential expansion
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the invention relates to a sealing device for mobile turbomachine blades.
  • One of the objectives of the present invention which it also has in common with the previous application cited above is to ensure, under the operating conditions of the turbomachine, a clearance between the ends of the blades and the seal which is minimal, but always positive in order to avoid wear of said lining, wear which would cause play and consequently leaks in the subsequent phases of operation, these leaks being detrimental for the performance of the turbomachine, for obtaining maximum thrust in aeronautical applications and for pumping reserve.
  • an objective of the invention is to ensure flow rates. leakage into the vein of hot gases which are very weak in the most unfavorable case, and even practically zero in most cases.
  • the sealing device for mobile turbomachine blades of the aforementioned type is characterized according to the present invention in that said inner shroud with low thermal inertia and a rigidity giving it high mechanical inertia is monolithic, in that the elements of connection slaving the sectors to the inner ring comprise elastic elements allowing the radial displacement of the sectors slaved to the external ring during the thermal stabilization phase without direct reaction on the internal ring and in that said sectors comprise at their upstream and downstream ends at least one series of supports by beads on at least one series of EPA - nouieuxs peripheral hooks enslaving sectors in the outer ring.
  • the connecting elements between the sectors and the inner ferrule consist of radial screws which are fixed integrally on the inner ferrule and whose heads are trapped leaving a radial clearance in pockets provided towards the four corners of the sectors and springs surrounding the screw rods and mounted in compression between the sectors and the inner shell.
  • FIG. 1 representing a first embodiment of the invention shows a turbine casing in three parts, an upstream part 2 upstream of the turbine wheel, linked by a flange 8a to an upstream flange 8b of a middle part 4, in line with the turbine wheel, this middle part 4 comprising a downstream flange 8c, linked to a flange 8d of a downstream part 6, downstream of the turbine wheel.
  • this middle part 4 comprising a downstream flange 8c, linked to a flange 8d of a downstream part 6, downstream of the turbine wheel.
  • a monolithic outer ring 20 with great inertia, insulated, in the example shown, only towards the outside by insulating 26.
  • this ring is stiffened only at its ends by upstream radial flanges 28 and downstream 30, but it could of course also include intermediate flanges to further stiffen it.
  • the ring 20 is centered both in the upstream 2 and downstream 6 parts of the casing as follows. It is linked to upstream 150 and downstream 152 sectorized hooks by upstream 154 and downstream 154 'bolts (see also Figures 2 and 4), these sectorized hooks having outward edges 156 and 158 (see also Figure 2) cooperating with the end of the upstream and downstream 28 radial flanges.
  • the sectorized hooks themselves, which are therefore joined together, at the same time as at the monolithic ring 20 comprise at least three projections regularly distributed over the periphery 160 towards upstream, 162 downstream, which cooperate with the same number of pockets, 164 upstream, 166 downstream, formed in an extension 10 of the casing part 2 upstream and in a extension 14 of the casing part 6 downstream.
  • a projection 160 and a socket 164 are shown in FIG. 2. The number of these projections and pockets is subject to option provided that it is greater than three and that the projections and pockets are regularly distributed over the periphery so that the ring 20 stay centered.
  • This ring 20 whose role will be described in detail further on has a thickness and / or insulation adjusted to have the same response time as the total thermal and centrifugal response time of the impeller after complete stabilization on the thermal plane, and is made of a material chosen so that its coefficient of expansion allows a radial displacement corresponding for example to the radial difference in radius of the blade tips between the stop and the maximum load.
  • an interior ferrule 170 includes exchange accelerators giving it a response time as close as possible to the response time of the disc to centrifugal expansion during acceleration (respectively centrifugal retraction in deceleration) increased (respectively decreased) at least partially of the thermal expansion (respectively retraction) of the blades.
  • This ferrule 170 is, in accordance with the invention, monolithic and comprises, in the embodiment shown, elements 172 giving it relatively high mechanical inertia in the radial direction. It is centered in the shell 20, for example by at least three relatively long and flexible oblique tabs 174, regularly distributed over the periphery, connecting it to the shell 20 (see FIG. 3).
  • legs 174 are connected by two bolts 176 longitudinally spaced 178 to the ring 20. They keep the ferrule 20 centered, although leaving it practically free to expand or retract (freedom given by the fact that they are flexible). Although the number of legs 174 is subject to option, provided that they are at least three in number, and regularly distributed over the periphery and to simplify the demonstration that they keep the ferrule 170 centered relative to the ring 20, we will assume that in fact there are four legs, spaced from 90 * , one of them being at the top.
  • the oblique legs of the top and bottom can bend, and the ferrule 170 could decenter downwards under the effect of this factor load if there were no horizontal oblique legs. But these, due to their fixing both by two longitudinally spaced bolts on the ferrule 170 and by two longitudinally spaced bolts on the ring 20, do not allow this decentering down. They work indeed in shearing for such a movement and the displacement allowed in shearing is practically negligible. Conversely, for a lateral load, the legs in the horizontal plane can certainly bend, but it is the upper and lower legs which prohibit a movement of lateral decentering of the monolithic shell 170.
  • centering of the ferrule 170 in the ring 20 in particular a system of projections and pockets, similar to projections 160 and 162 and the sockets 164 and 166 described above for centering the ring 20 in the turbine casing 2, 4, 6.
  • the centering of the ring 20 in the casing of turbine can also be obtained by a system of at least three flexible oblique legs fixed on the one hand to the ring 20, on the other hand to the casing 4, as will be described in detail below with reference to FIG. 7.
  • the packing elements 86 held in sectors 84, are connected in an elastic manner to the shell with a low response time.
  • elastic elements are added which are not part of the ferrule, and their role will be explained now.
  • the sectors 84 which may for example be in double number of the sectorized hooks 150, 152 (or even more), include pockets 180 towards the four corners of each sector.
  • the heads 182 of radial screws 184 are trapped in these pockets but leaving a radial clearance at least equal to the total expansion of the fin wheel between the stop and the full throttle.
  • the screws 184 have on the side of their threaded end, radially outward, a shoulder 186 which cooperates with holes 188 drilled in the ferrule 170, and with nuts 190 so that the radial screws 184 are integrally fixed to the ferrule 170.
  • the sectors 84 carrying the seals 86 are kept as distant as possible from the shell 170 by compression springs 192, surrounding the rods of the screws 184 and resting on the one hand on the sectors 84, on the other hand on the ferrule 170.
  • the sectors 84 comprise upstream as well as downstream, devices intended to ensure in the majority of operating cases a practically complete seal between on the one hand the stream of hot gases and on the other hand the space 194, between the shell 170 and the sectors 84, and in a small number of cases on ONLY leme nt an otherwise complete sealing, at least reasoning nablem ent ensured between the hot gas stream and the space 194.
  • the sectors 84 comprise, for this purpose, of Bourbon relE ts 196 upstream, 198 downstream, which cooperate, in the example shown in the drawing, with réelleanouis- semen ts devices 200 turned towards the downstream sectorized hooks 150 upstream and 202 turned upstream sectorized hooks downstream 152.
  • each sector 84 comprises, radially more towards the outside, a wiper 204 for the upstream, 206 for the downstream, leaving a small but positive clearance with the radial part of the sectorized hooks.
  • 150, 152 constituting with the beads 196, 198 a labyrinth.
  • the ventilation air taken from one of the high pressure stages of the compressor, for example the last, is sent through orifices 100 in an annular enclosure 102 from which it passes through holes 214, drilled in the hooks segmented upstream 150, in the space between the outer ring 20 and the ferrule 170, then crosses the ferrule 170 by multiple holes not shown in Figure 1 and very schematically shown in Figure 3, to ensure the ferrule 170 a very short temperature response time (for example 98%) and substantially equal to the centrifugal expansion (respectively retraction) of the blade and of the disc, increased at least in part by the thermal expansion (respectively retraction) of the blades. It escapes from it by holes 216 (see also FIG.
  • Part of the flow supplying the enclosure 102 can also be sent outside of the ring 20, from which it escapes through calibrated holes 218 ′, downstream of the turbine, mixing with the flow having passed through holes 218.
  • seals 220 upstream and 222, 222 'downstream with gentle friction ensure sealing with a extension of the flange 10 upstream and with the flange 14 downstream.
  • this friction has no harmful influence on the radial position or the concentricity of the sectors 84, since it is exerted only on elements subjected to thermal expansions (or retractions) and has therefore a negligible influence, as is well known to those skilled in the art on the displacements due to thermal expansion, the order of magnitude of the friction effects being considerably lower than the effects of thermal expansion.
  • the radius of the blade tips will increase (centrifugal and thermal expansion) and it will be assumed that the characteristic dimensions (of the impeller, and of the sealing device which is the subject of the invention) are such that at idle stabilized the various elements are in the position shown in Figure 1, the clearance between the tip of the blades and the seals 86 of the sectors 84 being positive, but extremely small (although it has been shown large enough to facilitate understanding), and the beads 196, respectively 198, being supported on the hooks 200, respectively 202, ensuring a quasi-tightness at the upstream and downstream edges of the sectors 84.
  • the tip of the blades will first increase very quickly (from about 5 to 6 seconds) as a result of the centrifugal expansion of the disc and the blades, expansion which exactly follows the mechanical acceleration of the turbomachine, increased by at least a part of the thermal expansion of the blades (because these have small thicknesses and large exchange surfaces, their response time is generally of the same order as the mechanical acceleration). But at the same time, the flow of hot air arriving through the orifices 100 in the enclosure 102, then through the holes 214, at the external part of the shell 170, crosses the latter by multi-holes shown diagrammatically in FIG. 7 to escape by the holes 116, then bypassing the projections and pockets 162, 166, by the holes 218.
  • the exchange accelerators for example multi-holes are adapted to this rapid expansion of the blade tips, it is in the same time (of the order of 5 to 6 seconds) that the ferrule 170 will heat up, therefore will expand. If the material of the ferrule 170 has been chosen appropriately with regard to its coefficient of expansion, the radial expansion of the ferrule will be equal to the radial displacement of the blade tips and will take place at the same time and the initial clearance will be preserved between the blade ends and seal 86.
  • the flanges 196 (respectively 198) leave their support on the hooks 200 (respectively 202), but the air leak coming from the high pressure compressor (at a pressure therefore greater than that of the vein) will bypass the sectors 84 upstream and downstream with a very low flow rate, owing to the fact that the labyrinth formed by the wiper 204 and the bead 196 upstream (respectively the wiper 206 and the bead 198 downstream) energetically brakes the centripetal movement of the air.
  • this leak is not only weak, but that it lasts a short time, of the order of a few tens of seconds. Indeed, the ring 20 will expand, slowly relative to the shell 170, as a result of its thermal heating delayed by its thermal insulation and its inertia. However, this heating of the ring 20 follows a law well known to thermicians, which means that the expansion is done at the start fairly quickly, then more and more slowly, complete thermal stabilization being theoretically obtained only after 'an infinite time (this is why we generally speak of a 98% response time).
  • the ring 20 continuing to expand (its response time for example at 98% being the same (thanks in particular to its thermal insulation adapted for this purpose) as that of the thermal expansion of the rim then of the disc hub, the order in a typical case of 10 minutes), it will cause by pressing hooks 200 and 202 on the beads 196, 198, the sectors 84 carrying the seal 86.
  • FIGS 5 and 6 show all other things being equal, so without the need to detail the description (we will refer to the description made previously for Figures 1 to 4) a second embodiment which further improves sealing during the first transient acceleration phase.
  • the wipers 204a and 206a of the sectors 84 have a slightly different shape, notably comprising an external cylindrical part 230 upstream, 232 downstream. Said cylindrical parts 230 and 232 cooperate with circular ribs 234, turned downstream for the hooks upstream sectorized 150, and 236, turned upstream for the downstream sectored hooks 152, so that the external parts 230 (respectively 232) are in radial contact with the ribs 234 (respectively 236) at the end of the mechanical acceleration of the turbomachine.
  • the wipers 204a and 206a leave a very small longitudinal play, but positive with the sectorized hooks.
  • FIG. 7 a variant, shown above, has been represented, where the centering of the ferrule 20, in the central part of the casing 4, is no longer obtained as shown in FIG. 1, by a system of at least three protrusions and pockets, but by long flexible legs 238 fixed both on the shell 20 by two bolts, longitudinally spaced, and on the middle part of the casing 4 by two bolts 240, also longitudinally spaced. There are 238 legs at least three, regularly distributed.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Des secteurs (84) de garniture d'étanchéité sont asservis, d'une part, par des éléments de liaison (184) comportant une partie élastique (192) à une virole intérieure (170) monolithique à faible inertie calorifique, et, d'autre part, par des crochets (150, 152) à un anneau extérieur (20) à inertie calorifique plus élevée, lesdits secteurs (84) comportant des bourrelets d'appui (196, 198) sur les crochets (150, 152) et des moyens de centrage sont prévus, d'une part. (160, 162, 164) pour les crochets (150, 152) dans lecarter (2, 6) et, d'autre part, (174) pour la virole intérieure (170).

Description

  • L'invention concerne un dispositif d'étanchéité d'aubages mobiles de turbomachine.
  • On connaît par la demande FR 83.01671 déposée le 3 février 1983 une disposition du type concerné par l'invention dans laquelle des secteurs portant une garniture d'étanchéité sont soumis successivement, pendant une phase transitoire d'accélération mécanique, à un premier asservissement en position radiale par des éléments solidaires d'une virole intérieure, qui se dilate rapidement pendant ladite phase d'accélération mécanique, puis pendant une deuxième phase postérieure de stabilisation thermique (qui peut durer une dizaine de minutes par exemple à comparer à la durée de cinq à six secondes de la première phase) à un deuxième asservissement se substituant au premier, asservissant lesdits secteurs en position radiale à un anneau extérieur qui se dilate lentement.
  • Un des objectifs de la présente invention qu'elle a également en commun avec la précédente demande citée ci-dessus est d'assurer dans les conditions de fonctionnement de la turbomachine un jeu entre les extrémités d'aubes et la garniture d'étanchéité qui soit minimal, mais toujours positif afin d'éviter l'usure de ladite garniture, usure qui provoquerait un jeu et par conséquent des fuites dans les phases ultérieures de fonctionnement, ces fuites étant préjudiciables pour le rendement de la turbomachine, pour l'obtention d'une poussée maximale dans les applications aéronautiques et pour la réserve au pompage.
  • La solution proposée par la demande de brevet français cité ci-dessus présente toutefois l'inconvénient de nécessiter des joints d'étanchéité sur les bords latéraux des secteurs portant la garniture d'étanchéité, ces joints étant à l'origine de frottements nuisibles.
  • L'invention évite ces inconvénients par la suppression de tels joints d'étanchéité mais vise toutefois à obtenir les mêmes résultats, en particulier ceux qui concernent le rendement de la turbomachine et pour cela, un objectif de l'invention est d'assurer des débits de fuite vers la veine de gaz chauds qui soient très faibles dans le cas le plus défavorable, et même pratiquement nuls dans la plupart des cas.
  • Le dispositif d'étanchéité d'aubages mobiles de turbomachine du type précité est caractérisé selon la présente invention en ce que ladite virole intérieure à faible inertie thermique et d'une rigidité lui conférant une grande inertie mécanique est monolithique, en ce que les éléments de liaison asservissant les secteurs à la virole intérieure comportent des éléments élastiques permettant le déplacement radial des secteurs asservis à l'anneau extérieur durant la phase de stabilisation thermique sans réaction directe sur la virole intérieure et en ce que lesdits secteurs comportent à leurs extrémités amont et aval au moins une série d'appuis par des bourrelets sur au moins une série d'épa- nouissements périphériques des crochets asservissant les secteurs à l'anneau extérieur.
  • De manière avantageuse, les éléments de liaison entre les secteurs et la virole intérieure sont constitués de vis radiales qui sont fixées solidairement sur la virole intérieure et dont les têtes sont emprisonnées en laissant un jeu radial dans des empochements prévus vers les quatre coins des secteurs et de ressorts entourant les tiges des vis et montés en compression entre les secteurs et la virole intérieure.
  • L'invention sera mieux comprise ainsi que d'autres avantages éventuels par la description de modes de réalisation, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
    • - la figure 1 représente une coupe longitudinale suivant I-I de la figure 2 d'un premier mode de réalisation du dispositif d'étanchéité conforme à l'invention,
    • - la figure 2 est une vue en coupe suivant II-II de la figure 1 du dispositif représenté à la figure 1,
    • - la figure 3 est une vue en coupe suivant III-III de la figure 1 du dispositif représenté à la figure 1,
    • - la figure 4 est une vue en perspective cavalière avec arraché d'une portion du dispositif représenté à la figure 1,
    • - la figure 5 est une vue analogue à la figure 1 représentant en coupe longitudinale un second mode de réalisation du dispositif d'étanchéité selon l'invention,
    • - la figure 6 est une vue en perspective cavalière avec arraché d'une portion du dispositif représenté à la figure 5,
    • - la figure 7 est une vue analogue à la figure 3 représentant une variante du mode de centrage de l'anneau à grande inertie thermique.
  • La figure 1 représentant un premier mode de réalisation de l'invention montre un carter de turbine en trois parties, une partie amont 2 en amont de la roue de turbine, liée par une bride 8a à une bride amont 8b d'une partie médiane 4, au droit de la roue de turbine, cette partie médiane 4 comportant une bride aval 8c, liée à une bride 8d d'une partie aval 6, en aval de la roue de turbine. On y voit aussi, en se reportant également par souci de clarté aux figures 2, 3, 4 un anneau extérieur monolithique 20, à grande inertie, calorifugé, dans l'exemple représenté, seulement vers l'extérieur par un calorifugeage 26. Bien entendu, on ne sortirait pas du cadre de ce mode de réalisation de l'invention en prévoyant aussi un calorifugeage intérieur. Dans l'exemple représenté, cet anneau est raidi seulement par ses extrémités par des brides radiales amont 28 et aval 30, mais il pourrait bien entendu comporter aussi des brides intermédiaires pour le raidir davantage. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, l'anneau 20 est centré à la fois dans les parties amont 2 et aval 6 de carter de la façon suivante. Il est lié à des crochets sectorisés amont 150 et aval 152 par des boulons amont 154 et aval 154'(voir aussi figures 2 et 4), ces crochets sectorisés comportant vers l'extérieur des rebords 156 et 158 (voir aussi figure 2) coopérant avec l'extrémité des brides radiales amont 28 et aval 30. Les crochets sectorisés eux-mêmes, solidarisés de ce fait entre eux, en même temps qu'à l'anneau 20 monolithique comportent au moins trois saillies régulièrement réparties sur la périphérie 160 vers l'amont, 162 vers l'aval, qui coopèrent avec le même nombre d'empochements, 164 vers l'amont, 166 vers l'aval, ménagés dans un prolongement 10 de la partie de carter 2 vers l'amont et dans un prolongement 14 de la partie de carter 6 vers l'aval. Une saillie 160 et un empochement 164 sont représentés à la figure 2. Le nombre de ces saillies et empochements est sujet à option pourvu qu'il soit supérieur à trois et que saillies et empochements soient régulièrement répartis sur la périphérie pour que l'anneau 20 reste centré. Cet anneau 20 dont le rôle sera décrit en détail plus loin a une épaisseur et/ou un calorifugeage ajustés pour avoir le même temps de réponse que le temps de réponse total thermique et centrifuge de la roue ailetée après stabilisation complète sur le plan thermique, et est constitué d'un matériau choisi de façon que son coefficient de dilatation permette un déplacement radial correspondant par exemple à la différence radiale de rayon des extrémités d'aubes entre l'arrêt et la charge maximale.
  • Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, une virole intérieure 170 dont le rôle sera précisé plus loin comporte des accélérateurs d'échange lui conférant un temps de réponse aussi proche que possible du temps de réponse du disque à la dilatation centrifuge en accélération (respectivement rétraction centrifuge en décélération) augmentée (respectivement diminuée) au moins partiellement de la dilatation (respectivement rétraction) thermique des aubes. Cette virole 170 est, conformément à l'invention, monolithique et comporte dans le mode de réalisation représenté des éléments 172 lui conférant une inertie mécanique relativement importante dans le sens radial. Elle est centrée dans la virole 20, par exemple par au moins trois pattes obliques 174 relativement longues et flexibles, régulièrement réparties sur la périphérie, la reliant à la virole 20 (voir figure 3). Ces pattes 174 sont reliées par deux boulons 176 longitudinalement espacés 178 à l'anneau 20. Elles maintiennent la virole 20 centrée, bien qu'en la laissant pratiquement libre de se dilater ou de se rétracter (liberté donnée par le fait qu'elles sont flexibles). Quoique le nombre de pattes 174 soit sujet à option, pourvu qu'elles soient au nombre d'au moins trois, et régulièrement réparties sur la périphérie et pour simplifier la démonstration de ce qu'elles maintiennent centrée la virole 170 par rapport à l'anneau 20, on supposera qu'en fait il y a quatre pattes, espacées de 90*, l'une d'entre elles étant en haut. Pour une accélération verticale (par exemple due à une ressource exécutée par l'avion propulsé par la turbomachine), les pattes obliques du haut et du bas peuvent fléchir, et la virole 170 pourrait se décentrer vers le bas sous l'effet de ce facteur de charge s'il n'y avait pas les pattes obliques horizontales. Mais celles-ci, du fait de leur fixation à la fois par deux boulons longitudinalement espacés sur la virole 170 et par deux boulons longitudinalement espacés sur l'anneau 20, ne permettent pas ce décentrage vers le bas. Elles travaillent en effet au cisaillement pour un tel mouvement et le déplacement permis en cisaillement est pratiquement négligeable. Inversement, pour une charge latérale, les pattes dans le plan horizontal peuvent certes fléchir, mais ce sont les pattes du haut et du bas qui interdisent un mouvement de décentrage latéral de la virole monolithique 170. L'homme du métier connaît du reste bien ce système de centrage, qui est obtenu dès que le nombre de pattes est de trois au moins pourvu que ces pattes soient régulièrement réparties, mais ce système est particulièrement bien adapté à la présente invention. Il est à noter que sur la figure 3, on a représenté les boulons de fixation de la patte 174 sur la virole 170, comme intégrés au système de fixation des secteurs sur la virole 170, qui sera décrit plus loin, en vue d'un gain de masse.
  • Bien entendu, on pourrait employer, sans sortir du cadre de la présente invention, d'autres moyens, connus de l'homme du métier, pour centrer la virole 170 dans l'anneau 20, notamment un système de saillies et empochements, analogues aux saillies 160 et 162 et aux empochements 164 et 166 décrits précédemment pour le centrage de l'anneau 20 dans le carter 2, 4, 6 de turbine. Bien entendu, également, le centrage de l'anneau 20 dans le carter de turbine peut aussi être obtenu par un système d'au moins trois pattes obliques flexibles fixées d'une part à l'anneau 20, d'autre part au carter 4, comme cela sera décrit en détails plus loin en référence à la figure 7.
  • Dans ce mode de réalisation de l'invention, les éléments de garniture d'étanchéité 86, maintenus dans des secteurs 84, sont liés d'une façon élastique à la virole à faible temps de réponse. Afin d'obtenir une virole 170 monolithique, des éléments élastiques sont rapportés qui ne font pas partie de la virole, et leur rôle va être expliqué maintenant.
  • Les secteurs 84, qui peuvent être par exemple en nombre double des crochets sectorisés 150, 152 (ou même davantage), comportent des empochements 180 vers les quatre coins de chaque secteur. Les têtes 182 de vis radiales 184 sont emprisonnées dans ces empochements mais en laissant un jeu radial au moins égal à la dilatation totale de la roue ailetée entre l'arrêt et le plein gaz. Les vis 184 comportent du côté de leur extrémité filetée, vers l'extérieur radialement, un épaulement 186 qui coopère avec des trous 188 percés dans la virole 170, et avec des écrous 190 de sorte que les vis radiales 184 sont solidairement fixées à la virole 170.
  • D'autre part, les secteurs 84 portant les garnitures d'étanchéité 86, sont maintenus aussi éloignés que possible de la virole 170 par des ressorts en compression 192, entourant les tiges des vis 184 et s'appuyant d'une part sur les secteurs 84, d'autre part sur la virole 170.
  • Enfin, dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, les secteurs 84 comportent à l'amont aussi bien qu'à l'aval, des dispositifs destinés à assurer dans la majorité des cas de fonctionnement une étanchéité prati- quement complète entre d'une part la veine de gaz chauds et d'autre part l'espace 194, compris entre la virole 170 et les secteurs 84, et dans un petit nombre de cas seu- lement une étanchéité sinon complète, du moins raison- nablement assurée entre la veine de gaz chauds et l'espace 194. Les secteurs 84 comportent, pour ce faire, des bour- relets 196 vers l'amont, 198 vers l'aval, qui coopèrent, dans l'exemple figurant au dessin, avec des épanouis- sements périphériques 200 tournés vers l'aval des crochets sectorisés 150 amont et 202 tournés vers l'amont des crochets sectorisés aval 152.
  • Ces bourrelets 196 laissent un jeu longitudinal faible mais positif, respectivement avec la partie radiale des crochets sectorisés 150 et 152, assurant ainsi, lorsque les bourrelets 196, 198 ne sont pas en appui, par suite de la dilatation thermique de la virole 170, que le jeu permettant des fuites soit maintenu dans des limites aussi faibles que possible. De plus, dans la version représentée sur la figure 1, chaque secteur 84 comporte, radialement plus vers l'extérieur, une léchette 204 pour l'amont, 206 pour l'aval laissant un jeu faible mais positif avec la partie radiale des crochets sectorisés 150, 152, constituant avec les bourrelets 196, 198 un labyrinthe. Ce jeu positif aussi bien en amont qu'en aval permet donc un déplacement des secteurs 84 sous l'effet des ressorts 192, sans pour autant autoriser des fuites d'air importantes lorsque l'appui des bourrelets 196 et 198 n'est plus assuré sur les épanouissements périphériques 200, 202 des crochets sectorisés 150, 152. De plus, l'étanchéité d'un des crochets sectorisés avec ses voisins peut être assu- rée, d'une façon connue, par exemple par des lamelles 208 pour les crochets sectorisés amont visibles aussi sur la figure 4, insérées dans les fentes 212 prévues à cet effet dans l'épaisseur des crochets sectorisés voisins. Il en est de même vers l'aval où l'étanchéité peut être assurée par des lamelles 210.
  • D'autre part, l'air de ventilation prélevé à un des étages haute pression du compresseur, par exemple le dernier, est envoyé par des orifices 100 dans une enceinte annulaire 102 d'où il passe par des trous 214, percés dans les crochets sectorisés amont 150, dans l'espace compris entre l'anneau extérieur 20 et la virole 170, puis traverse la virole 170 par des trous multiples non représentés sur la figure 1 et très schématiquement représentés sur la figure 3, pour assurer à la virole 170 un temps de réponse (par exemple à 98%) en température très court et sensiblement égal à la dilatation (respectivement rétraction) centrifuge de l'aube et du disque, augmenté au moins en partie de la dilatation (respectivement rétraction) thermique des aubes. Il s'en échappe par des trous 216 (voir aussi figure 3) percés dans les crochets sectorisés aval 152, puis, en contournant les pattes et empochements locaux 162, 166 (ou les pattes flexibles équivalentes), il s'échappe vers l'aval par des trous 218 d'où il peut,soit être envoyé, si la pression résiduelle le permet, à un étage ultérieur de turbine (par exemple pour refroidir le distributeur suivant), soit remis dans la veine de gaz, de préférence sans provoquer de perturbations.
  • Une partie du débit alimentant l'enceinte 102 peut également être envoyé à l'extérieur de l'anneau 20, d'où il s'échappe par des trous calibrés 218', vers l'aval de la turbine en se mélangeant avec le débit ayant passé par les trous 218.
  • Enfin, des joints 220 vers l'amont et 222, 222' vers l'aval à frottement doux assurent l'étanchéité avec un prolongement de la bride 10 vers l'amont et avec la bride 14 vers l'aval. Mais il faut souligner que ce frottement n'a pas d'influence nocive sur la position radiale ou la concentricité des secteurs 84, puisqu'il ne s'exerce que sur des éléments soumis à des dilatations (ou rétractions) thermiques et n'a par conséquent qu'une influence négligeable, comme il est bien connu de l'homme du métier sur les déplacements dus à la dilatation thermique, l'ordre de grandeur des effets de frottement étant considérablement plus faible que les effets de la dilatation thermique.
  • On va décrire à présent le mode de fonctionnement du dispositif objet de ce mode de réalisation de l'invention en supposant un cycle complet à partir de la vitesse nulle jusqu'au point de fonctionnement stabilisé à la charge maximale, puis retour au ralenti et arrêt.
  • Au cours du démarrage, le rayon des extrémités d'aubes augmentera (dilatation centrifuge et thermique) et on supposera que les dimensions caractéristiques (de la roue ailetée, et du dispositif d'étanchéité objet de l'invention) sont telles qu'au ralenti stabilisé les divers éléments sont dans la position représentée à la figure 1, le jeu entre l'extrémité des aubes et les garnitures d'étanchéité 86 des secteurs 84 étant positif, mais extrêmement faible (bien qu'il ait été représenté assez grand pour faciliter la compréhension), et les bourrelets 196, respectivement 198, étant en appui sur les crochets 200, respectivement 202, assurant une quasi-étanchéité aux bords amont et aval des secteurs 84.
  • Au cours d'une accélération jusqu'au plein gaz, l'extrémité des aubes va augmenter d'abord très rapidement (de l'ordre de 5 à 6 secondes) par suite de la dilatation centrifuge du disque et des aubes, dilatation qui suit exactement l'accélération mécanique de la turbomachine, augmentée au moins d'une partie de la dilatation thermique des aubes (du fait que celles-ci ont de faibles épaisseurs et de grandes surfaces d'échange, leur temps de réponse est généralement du même ordre que l'accélération mécanique). Mais parallèlement, le flux d'air chaud arrivant par les orifices 100 dans l'enceinte 102, puis par les trous 214, à la partie extérieure de la virole 170, traverse celle-ci par des multitrous schématisés figure 7 pour s'échapper par les trous 116, puis en contournant les saillies et empochements 162, 166, par les trous 218. Sous réserve que les accélérateurs d'échange, par exemple les multitrous soient adaptés à cette dilatation rapide des extrémités d'aubes, c'est dans le même temps (de l'ordre de 5 à 6 secondes) que la virole 170 s'échauffera, donc se dilatera. Si le matériau de la virole 170 a été choisi convenablement en ce qui concerne son coefficient de dilatation, la dilatation radiale de la virole sera égale au déplacement radial des extrémités d'aubes et se fera en même temps et le jeu initial sera conservé entre les extrémités d'aubes et la garniture d'étanchéité 86. En même temps, les bourrelets 196 (respectivement 198) quittent leur appui sur les crochets 200 (respectivement 202), mais la fuite d'air provenant du compresseur haute pression (à une pression supérieure donc à celle de la veine) ne contournera les secteurs 84 vers l'amont et vers l'aval qu'avec un très faible débit, du fait que le labyrinthe constitué par la léchette 204 et le bourrelet 196 vers l'amont (respectivement la léchette 206 et le bourrelet 198 vers l'aval) freine énergiquement le mouvement centripète de l'air.
  • Il faut, de plus, remarquer que cette fuite est non seulement faible, mais qu'elle dure peu de temps, de l'ordre de quelques dizaines de secondes. En effet, l'anneau 20 va se dilater, lentement par rapport à la virole 170, par suite de son échauffement thermique retardé par son calorifugeage et son inertie. Toutefois, cet échauffement de l'anneau 20 suit une loi bien connue des thermiciens, qui fait que la dilatation se fait au début assez rapidement, puis de plus en plus lentement, la stabilisation complète thermique n'étant théoriquement obtenue qu'au bout d'un temps infini (c'est la raison pour laquelle on parle généralement d'un temps de réponse à 98%). Par l'appui de leurs brides 28 (respectivement 30) sur les rebords 156 (respectivement 158) des crochets sectorisés 150 (respectivement 152) dans un premier temps les surfaces d'appui des crochets 200 proprement dits (respectivement 202) vont progressivement se rapprocher des bourrelets 196 (respectivement 198) jusqu'à l'appui total et, de ce fait, en quelques dizaines de secondes (dans un exemple caractéristique en 35 secondes), l'étanchéité amont et aval des secteurs sera rétablie. Puis, l'anneau 20 continuant à se dilater (son temps de réponse par exemple à 98% étant le même (grâce notamment à son calorifugeage adapté à cet effet) que celui de la dilatation thermique de la jante puis du moyeu du disque, de l'ordre dans un cas caractéristique de 10 minutes), il entraînera par appui des crochets 200 et 202 sur les bourrelets 196, 198, les secteurs 84 portant la garniture d'étanchéité 86.
  • Ce dernier déplacement est possible du fait que les têtes de vis 182 ne comblent pas les empochements 180 et que ceux-ci ont une dimension radiale égale à la hauteur des têtes de vis augmentée de la dilatation totale (par exemple) des extrémités d'aubes.
  • Et il faut remarquer que pendant toute cette stabilisation thermique, à part quelques dizaines de secondes au début, puis pendant tout le régime permanent au plein gaz (ou à un régime partiel au-dessus du ralenti), l'étanchéité par appui radial est effectivement assurée.
  • On suppose maintenant qu'à partir du régime maximum stabilisé, on ramène la turbomachine au ralenti (ou en tout cas à un régime partiel). Dans un temps très court, la contraction centrifuge du disque et de l'arbre, et la contraction thermique de l'aube va se produire. Dans le même temps, et par suite du débit d'air venu du compresseur (moins chaud à régime partiel et au ralenti qu'au plein gaz), la virole 170 va se contracter radialement, entraînant les vis 184. Mais celles-ci pourront se déplacer radialement dans le sens centrifuge par suite du jeu prévu, du fait que l'anneau 20 ne se contracte que lentement, les ressorts 192 maintenant en permanence les bourrelets 196, 198 en appui sur les crochets 200, 202. Il y aura donc une étanchéité assurée en amont et en aval des secteurs pendant toute la phase de décélération, depuis son début jusqu'à stabilisation thermique au ralenti, où on se retrouvera comme au début du cycle dans la disposition représentée en figure 1.
  • On voit donc que l'invention permet avantageusement d'assurer :
    • - qu'il n'y a jamais interférence entre extrémité d'aubes et garniture d'étanchéité 86 - donc pas d'usure de celle-ci, sauf incident mécanique ;
    • - qu'il y a un jeu très réduit entre extrémité des aubes et garniture d'étanchéité 86, pendant tous les régimes permanents et pendant le régime transitoire d'accélération (le jeu augmente pendant le régime transitoire de décélération, mais cette augmentation du jeu est acceptable d'une part du fait qu'il s'agit de transitoire, d'autre part qu'il s'agit de régimes faibles, où le niveau de poussée en tous cas n'est que de deuxième importance, et la consommation relativement faible)
    • - qu'il n'y a aucun frottement empêchant les mouvements radiaux des secteurs d'étanchéité notamment lorsqu'en décélération les ressorts 192 imposent aux bourrelets 196, 198 d'être en appui sur les crochets 200, 202, les ressorts 192 pouvant également être montés sous contrainte et exercer un effort à l'arrêt ;
    • - que les fuites de débit venant du compresseur vers la veine sont pratiquement interdites par lesdits appuis, sauf pendant une accélération mécanique, où ces fuites sont fortement freinées par un système de labyrinthe 196 et 204 vers l'amont 198 et 206 vers l'aval et seulement pendant quelques dizaines de secondes (sur un total de l'ordre de 10 minutes par exemple pendant et après l'accélération mécanique).
  • Sur les figures 5 et 6 on a représenté toutes choses égales par ailleurs, donc sans qu'il soit besoin d'en détailler la description (on se reportera à la description faite précédemment pour les figures 1 à 4) un second mode de réalisation qui améliore encore l'étanchéité pendant la première phase transitoire d'accélération. Les léchettes 204a et 206a des secteurs 84 ont une forme un peu différente, comportant notamment une partie cylindrique extérieure 230 à l'amont, 232 à l'aval. Lesdites parties cylindriques 230 et 232 coopèrent avec des nervures circulaires 234, tournées vers l'aval pour les crochets sectorisés amont 150, et 236, tournées vers l'amont pour les crochets sectorisés aval 152, afin que les parties extérieures 230 (respectivement 232) soient en contact radial avec les nervures 234 (respectivement 236) à la fin de l'accélération mécanique de la turbomachine. Bien entendu, les léchettes 204a et 206a laissent un jeu longitudinal très faible, mais positif avec les crochets sectorisés.
  • On comprend facilement que de cette façon, l'étanchéité est toujours assurée, comme dans la version figurant sur les figures 1 à 4, par les bourrelets 196 (respectivement 198) sur les crochets 200 (respectivement 202) pendant tous les régimes permanents et tous les régimes de décélération, et la plus grande partie du temps de stabilisation thermique après accélération, dans les conditions décrites ci-dessus. Mais on comprend aussi également que pendant l'accélération mécanique et les quelques dizaines de secondes qui suivent, où les bourrelets 196, 198 ne sont plus en appui sur les crochets 200, 202, l'étanchéité par effet de labyrinthe décrit ci-dessus est améliorée du fait de la chicane entre 204a et 234 pour l'amont et de celle entre 206a et 236 vers l'aval, et ceci d'autant plus que cette chicane est complètement obstruée en fin d'accélération mécanique.
  • Sur la figure 7 on a représenté une variante, du reste évoquée précédemment, où le centrage de la virole 20, dans la partie médiane de carter 4, est obtenu non plus comme représenté sur la figure 1, par un système d'au moins trois saillies et empochements, mais par des pattes longues et flexibles 238 fixées à la fois sur la virole 20 par deux boulons, longitudinalement espacés, et sur la partie médiane de carter 4 par deux boulons 240, également longitudinalement espacés. Les pattes 238 sont au nombre d'au moins trois, régulièrement réparties. Sur la figure 7 on a représenté une solution avantageuse où la fixation des pattes 238 sur la virole 20 est faite par les mêmes boulons 178 qui servent à la fixation des pattes 174 sur ladite virole 20, de même les pattes 174 sont fixées à leur autre extrémité par les boulons 184, à épaulement, boulons qui asservissent les secteurs 84 lors de la dilatation rapide de la virole 170 et seulement lors de cette dilatation, pendant l'accélération mécanique et pour les quelques dizaines de secondes ultérieures.
  • Bien entendu, on ne sortirait pas du cadre de cette invention en se servant de fixations différenciées des pattes 174 sur la virole 170 et l'anneau 20, et/ou des pattes 238 sur la virole 20. On ne sortirais pas non plus du cadre de la présente invention en multipliant le nombre des appuis de bourrelets 196, 198 sur la partie cylindrique 200, 202 des crochets 150, 152 et/ou le nombre de léchettes 204, 206, pour freiner davantage le débit de fuite centripète dans les rares cas (début de l'accélération et début de stabilisation) où l'étanchéité centripète n'est pas assurée d'une façon quasi-parfaite par appui radial.

Claims (8)

1. Dispositif d'étanchéité d'aubages mobiles de turbomachine, du type comportant :
- des secteurs (84) portant une garniture d'étanchéité (86) en matériau susceptible de s'user en cas de contact des extrémités d'aubes et de cette garniture ;
- une virole intérieure (170) qui se dilate d'une façon homogène pendant une phase transitoire d'accélération mécanique de la turbomachine par l'effet de la ventilation sur toute sa longueur et sa périphérie par de l'air prélevé à un étage aval de compresseur et qui asservit en position radiale dans un premier temps lesdits secteurs (84) au moyen d'éléments de liaison ;
- un anneau extérieur (20) qui se dilate pendant une phase de stabilisation thermique de la turbomachine succédant à la phase d'accélération mécanique, d'une façon homogène également par l'effet de la ventilation sur toute sa longueur et sa périphérie par de l'air prélevé à un étage aval de compresseur et amené par une multiplicité de tuyaux débouchant dans des trous (100) percés dans le carter de turbine et qui asservit également en position radiale dans un second temps lesdits secteurs (84) au moyen de crochets (150, 152),

caractérisé en ce que ladite virole intérieure (170) à faible inertie thermique et d'une rigidité lui conférant une grande inertie mécanique est monolithique, en ce que les éléments de liaison asservissant les secteurs (84) à la virole intérieure (170) comportent des éléments élastiques permettant le déplacement radial des secteurs (84) asservis à l'anneau extérieur (20) durant la phase de stabilisation thermique sans influence directe sur la géométrie de la virole intérieure (170) et en ce que lesdits secteurs (84) comportent à leurs extrémités amont et aval au moins une série d'appuis par des bourrelets (196, 198) sur au moins une série d'épanouissements périphériques(200, 202) des crochets (150, 152) asservissant les secteurs (84) à l'anneau extérieur (20).
2. Dispositif d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments de liaison entre les secteurs (84) et la virole intérieure (170) sont constitués de vis radiales (184) qui sont fixées solidairement sur la virole intérieure (170) et dont les têtes (182) sont emprisonnées en laissant un jeu radial dans des empochements (180) prévus vers les quatre coins des secteurs (84), et de ressorts (192) entourant les tiges des vis (184) et montés en compression entre les secteurs (84) et la virole intérieure (170).
3. Dispositif d'étanchéité selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que les crochets (150, 152) de liaison entre les secteurs (84) et l'anneau extérieur (20) sont sectorisées et des lamelles (208, 210) sont insérées dans des fentes (212) prévues dans l'épaisseur de crochets voisins assurant l'étanchéité et en ce que les crochets (150, 152) comportent au moins trois saillies (160, 162) sensiblement régulièrement réparties sur la périphérie et coopérant avec des empochements (164) ménagés dans des prolongements (10, 14) des parties du carter amont (2) et aval (6).
4. Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que chaque secteur (84) comporte une léchette (204) côté amont et une léchette (206) côté aval placées en position radiale extérieure par rapport aux bourrelets (196, 198) et formant avec lesdits bourrelets (196, 198) un joint à labyrinthe.
5. Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque crochet sectorisé (150, 152) comporte une nervure circulaire (234, 236) orientée vers les secteurs (84) et coopérant avec des léchettes (204a, 206a) des secteurs (84) comportant une partie cylindrique extérieure (230, 232).
6. Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que au moins trois pattes obliques (174) relativement longues, flexibles et régulièrement réparties sur la périphérie relient par boulons (176, 178) la virole intérieure (170) à l'anneau extérieur (20).
7. Dispositif d'étanchéité selon la revendication 4, caractérisé en ce que les fixations des pattes (174) sur la virole intérieure (170) sont confondues avec les fixations sur ladite virole (170) des éléments de liaison aux secteurs (84).
8. Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1,2 et 4 à 7 caractérisé en ce que au moins trois pattes (238) obliques, longues et flexibles relient par boulons (178, 240) l'anneau extérieur (20) à la partie médiane (4) du carter de turbine.
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